飞机复合材料拉伸过程损伤的声发射特性分析

2022-07-19黄华斌彭智伟王竹林

无损检测 2022年5期

黄华斌，彭智伟，王竹林

(中国飞机强度研究所，西安 710065)

复合材料结构具有高比强度和高比刚度的特点，已广泛应用于现代飞行器结构中。复合材料结构的整体化可大幅度减少紧固件和零件的数量，达到降低重量、制造和维修成本、显著提升承载能力以及提高结构效率的目的。与机械连接方式相比，筋条和蒙皮共固化连接被认为是发挥复合材料效益潜力的最重要途径之一，波音787复合材料机翼的梁和肋凸缘以及空客A 350结构加筋都是采用共固化或胶接的连接形式。但是，复合材料筋条和蒙皮T型共固化连接使得结构单元出现了局部的几何不连续，在外载荷作用下，这些几何不连续周围区域出现较大的应力集中，随着载荷的增加应力集中加剧，首先导致了几何不连续周围区域材料产生细观损伤基体开裂，继而形成宏观的层间分层；随后，分层将沿分层处的层间扩展或跳跃到相邻层的层间扩展，直到结构单元丧失承载能力。

在拉伸试验中研究筋条和蒙皮复合材料T型共固化结构的损伤发生过程，对了解复合材料T型共固化结构的寿命和剩余强度十分重要。现有的无损检测技术如射线，超声波、红外、激光散斑等技术对复合材料T型共固化结构的检测灵敏度低，难以发现较小的损伤。近年来，随着声发射检测的技术研究取得了进展，运用声发射参数分析技术可及时对损伤产生的位置和产生的时间进行较为精确的判断[1-3]。文章开展了飞机复合材料结构T型元件的拉伸试验，利用声发射技术监测了复合材料T型元件拉伸载荷下的损伤发生过程，获得声发射信号特征，并通过分析各种不同损伤形式的声发射特征来研究复合材料加筋共固化T型单元的破坏机理。

1 复合材料T型单元试验

1.1 T型试件

T型试件由T型筋条与蒙皮组成，共制作两件，其结构如图1所示。T型筋条与蒙皮采用J116B胶膜共固化黏接。T型试件材料为T700/QY8911。具体铺层如下所述。

图1 T型接头试件结构示意

(1)T型筋条：由3层压板组成，2层外层夹1层内层。外层为子层1，内层为子层2，对称铺层;子层1的铺层为-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/-45/0/45[数值为碳纤维铺设角度，单位为(°)，下同]，子层2的铺层为45/0/-45/90/45/0/90/0/-45/90/45/0/-45。

(2)蒙皮：子层3铺层为45/0/-45/90/0/45/0/-45/90/0/45/0/-45/0/45/-45。

1.2 疲劳试验

试验在Instron1195型疲劳试验机上进行，试件1采用分级加载的方式，当加载过程中发现声发射异常信号时应立即停止加载，进行超声C扫描检测，并记录检测结果，然后继续加载。试件2的加载方式为连续加载(从0载荷开始直至试件破坏)，加载速率为 0.5 mm·min-1。T型试件加载安装现场如图2所示。

图2 T型试件加载安装现场

1.3 检测方法

声发射检测：全程检测并记录试件在加载过程的声发射信号参数(包括撞击数、事件数、幅值、持续时间等)，分析声发射信号参数变化趋势，揭示试件的损伤发生过程。声发射传感器布置如图3所示。声发射设备型号为PCI-2，传感器中心频率为150 Hz。

图3 声发射传感器布置示意

超声C扫描检测：试验前对每一个试件进行详细检查，记录试件的初始损伤状况。分级加载试验过程中，当声发射传感器检测到异常信号时卸载，并检查试件，记录检测结果。

2 声发射信号分析结果

2.1 试件1

试件1的声发射检测信号如图4～7所示。分析结果如下所述。

图4 不同载荷下试件1的声发射信号幅值

图5 不同载荷下试件1的声发射定位事件数

图6 不同载荷下试件1的声发射信号持续时间

图7 不同载荷下试件1的声发射撞击数

(1) 第1级。此时声发射信号幅值在70 dB以下[见图4(a)]，定位事件数最大为5[见图5(a)]，信号持续时间为1 300 μs[见图6(a)]，图7(a)所示的撞击数变化也不明显，信号应为结构变形引起。

(2) 第2级。该级发射信号有较大的变化，随即卸载，此时声发射信号幅值超过70 dB的信号明显增多,最高达98 dB[见图4(b)]，定位事件数显著增大到52[见图5(b)]，图7(b)所示的声发射撞击数曲线突变明显，说明有损伤产生，信号持续时间达40 000 μs[见图6(b)]，表明此时试件内部出现了较多的损伤形成了看似“连续”的事件。图5(b)的定位事件数表明损伤起始的部位在筋条凸缘下方的蒙皮表面层(45°层)与表面第2层(0°)之间的夹层。用超声波对其进行C扫描检测，未检出损伤，原因可能是损伤为基体损伤且处于初期阶段，超声波无法检出。

(3) 第3级。该级声发射信号继续增加，大幅值信号明显增多[见图4(c)]，定位事件数继续增大到120[见图5(c)]，定位事件数的变化还表明损伤已经从起始的部位扩展。图6 (c)中的信号持续时间达92 000 μs，图7的声发射撞击数曲线再一次跳跃增长至18 000，表明出现大面积的损伤，有可能是分层扩展。用超声波对其进行C扫描检测，未检出损伤。原因可能是损伤为胶结区部分脱黏和部分纤维断丝损伤，较轻微，超声波无法检出。

(4) 第4级。该级的声发射信号表明损伤有一个缓慢的过程[见图4(d)和图5(d)]。结合图7的声发射撞击数曲线的变化可知，载荷为2.13 kN时损伤加速扩展，此时卸载对试件进行C扫描检测，发现试件已经出现了宏观损伤，该损伤位于试件R区的筋条凸缘和蒙皮交界处的胶接界面，损伤大小约为22 mm×10 mm(长×宽)，该损伤的C扫描图像如图8所示。该损伤表现为胶结区大面积脱黏和较多纤维断丝，较严重，所以超声波可检。

图8 不同载荷下试件1损伤的C扫描图像

(5) 第5级。载荷为2.21 kN时，结构损伤发生快速扩展并在载荷为2.22 kN时丧失承载能力，此载荷为结构破坏载荷，破坏断面如图9所示。

图9 不同载荷下试件1的破坏断面

2.2 试件2

试件2的声发射信号如图10所示。从图10可以看出，连续加载至200 s(1.09 kN)时，信号幅值为50～70 dB，此时结构出现变形并造成基体损伤；加载至220 s(1.19 kN)时，声发射信号的撞击数突然显著增加，并有幅值大于70 dB的信号出现。图10(b)中的信号持续时间达46 000 μs，表明此时试件内部有零星脱黏和纤维断丝产生。图10(c)的定位事件数则表明损伤的起始点在两个传感器接头的中心区域。图10(d)表明复合材料脱黏损伤的声发射信号大于70 dB，纤维断丝损伤声发射信号大于90 dB。连续加载至305 s(1.39 kN)时，声发射信号再一次有较大的变化，声发射信号的撞击数较损伤形成时的撞击数成倍增长，并有大量幅值大于70 dB的信号出现，信号持续时间为53 000 μs。这表明结构出现大量脱黏损伤和纤维断丝，且脱黏损伤已经开始扩展，可能导致层间分层。连续加载至350 s(2.07 kN)时，声发射信号再一次跳跃增长，信号持续时间达78 000 μs，大幅值信号明显增多，表明结构损伤从分层缓慢扩展到开始快速扩展，并在载荷为2.25 kN时完全破坏，导致结构丧失承载能力。图10所示的声发射信号反应了复合材料加筋共固化T型单元的损伤演化过程的3个阶段，与文献[4]的分析一致。试件2的破坏断面如图11所示。